Discovery of a non-Hermitian phase transition in a bulk condensed-matter system

भौतिकी की दुनिया में, सामग्रियां आमतौर पर संतुलन की एक अवस्था में स्थिर होती हैं। जब एक चुंबक ठंडा होता है, तो उसके आंतरिक परमाणु एक विशिष्ट क्रम में संरेखित होते हैं, और सामग्री अपने गुणों को एक अनुमानित तरीके से बदल लेती है। यह एक चरण संक्रमण (phase transition) है, एक मौलिक बदलाव जो तब होता है जब प्रणाली तापीय संतुलन (thermal equilibrium) में रहती है, एक ऐसी अवस्था जहाँ ऊर्जा समान रूप से वितरित होती है और भौतिकी के नियम वैसे ही दिखते हैं जैसे कि समय आगे या पीछे चलता हो। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इन संक्रमणों का अध्ययन किया है ताकि यह समझा जा सके कि पदार्थ विभिन्न स्थितियों में कैसे व्यवहार करता है, जैसे पानी का जमना या धातुओं की अतिचालकता (superconductivity)। हालाँकि, प्रकृति में ऐसी अवस्थाएँ भी होती हैं जो इस शांत संतुलन से बहुत दूर होती हैं। जब किसी प्रणाली को एक बाहरी बल, जैसे कि प्रकाश की एक चमक, द्वारा ज़ोर से संचालित किया जाता है, तो वह एक अराजक, गैर-संतुलन (non-equilibrium) अवस्था में प्रवेश कर सकती है जहाँ ऊर्जा लगातार अंदर डाली जाती है और बाहर निकलती है। इन चरम स्थितियों में, सामान्य समरूपता के नियम टूट जाते हैं, जो पूरी तरह से नए प्रकार के व्यवहारों के द्वार खोल देते जो एक शांत, विश्राम करने वाली प्रणाली में अस्तित्व में नहीं हो सकते।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ठोस ब्लॉक सामग्री में इस मायावी व्यवहारों में से एक को कैद किया है, जो एक खोज है जो सैद्धांतिक भौतिकी और संघनित द्रव्य (condensed matter) की वास्तविक दुनिया के बीच के अंतर को पाटती है। यूरोपियम ऑक्साइड, जो एक फेरोमैग्नेटिक सेमीकंडक्टर है, के क्रिस्टल के साथ काम करते हुए, वैज्ञानिकों ने सामग्री को उसकी संतुलन अवस्था से बाहर निकालने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स का उपयोग किया। क्रिस्टल ने समय के साथ प्रकाश को कैसे परावर्तित किया, इसका सावधानीपूर्वक माप करते हुए, उन्होंने यह देखा कि सामग्री वापस विश्राम की स्थिति में कैसे लौटती है। कुछ निश्चित तापमानों पर, सामग्री की प्रतिक्रिया एक सरल, अनुमानित क्षय (decay) से बदलकर एक जटिल, दोलनशील पैटर्न में बदल गई जो संतुलन भौतिकी के मानक नियमों को चुनौती देती है। यह संक्रमण एक गैर-हर्मिटियन चरण संक्रमण (non-Hermitian phase transition) के आगमन को चिह्नित करता है, एक ऐसी घटना जहाँ सामग्री की गतिशीलता की मूल प्रकृति एक महत्वपूर्ण बिंदु पर बदल जाती है, जिससे एक नई अवस्था निर्मित होती है जो उसकी स्थिर संरचना के बजाय उसकी गति से परिभाषित होती है।

यह प्रयोग एक प्रयोगशाला में हुआ जहाँ यूरोपियम ऑक्साइड के एक एकल क्रिस्टल को परम शून्य (absolute zero) के करीब से लेकर कमरे के तापमान तक विभिन्न तापमानों पर ठंडा किया गया था। शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल पर लेजर प्रकाश का एक छोटा, तीव्र पल्स चलाया, जिसने एक घंटी पर प्रहार करने वाले हथौड़े की तरह कार्य किया, जिससे इलेक्ट्रॉन अपनी स्थिर स्थितियों से बाहर निकल गए और एक उच्च ऊर्जा अवस्था में चले गए। इसने सामग्री के भीतर उत्तेजित कणों की एक अस्थायी आबादी बना दी। इसके बाद क्या हुआ, यह देखने के लिए, उन्होंने एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से बाद क्रिस्टल पर प्रकाश का दूसरा, कमजोर पल्स चलाया, और मापा कि कितना प्रकाश वापस टकराकर आया। अलग-अलग समय अंतराल और अलग-अलग तापमानों पर इस प्रक्रिया को दोहराकर, उन्होंने सामग्री की रिकवरी प्रक्रिया की एक फिल्म बनाई।

कम तापमान पर, क्रिस्टल उस तरह से व्यवहार करता था जो भौतिकविदों के लिए परिचित था। उत्तेजित इलेक्ट्रॉन दो अलग-अलग, स्वतंत्र मार्गों के माध्यम से अपनी ग्राउंड स्टेट में वापस लौट आए, जिससे परावर्तित प्रकाश संकेत एक सहज, दोहरे-घातांकीय वक्र (double-exponential curve) के रूप में फीका पड़ गया। यह एक ऐसी प्रणाली के लिए विशिष्ट व्यवहार है जहाँ ऊर्जा सीधे तौर पर नष्ट होती है। हालाँकि, जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने तापमान बढ़ाया, एक अजीब रूपांतरण हुआ। 84 केल्विन के एक विशिष्ट दहलीज पर, दो अलग-अलग क्षय पथ अचानक एक में विलीन हो गए। सुचारू रूप से फीका पड़ने के बजाय, संकेत दोलन करने लगा, जो एक जटिल पैटर्न में ऊपर-नीचे होने लगा जिसे केवल एक एकल, जटिल क्षय दर द्वारा वर्णित किया जा सकता था। यह महत्वपूर्ण बिंदु, जहाँ व्यवहार के दो अलग-अलग मोड एक में समाहित हो गए, एक अपवाद बिंदु (exceptional point) के रूप में जाना जाता है, और यह गैर-हर्मिटियन चरण संक्रमण की शुरुआत का संकेत देता है।

शोधकर्ताओं ने इस अजीब व्यवहार के अन्य संभावित स्पष्टीकरणों को खारिज करने के लिए सावधानी बरती। उन्होंने विचार किया कि क्या उनके द्वारा देखा गया नकारात्मक संकेत इलेक्ट्रॉनों और होल्स (holes) के पुनर्संयोजन (recombination) के कारण हो सकता है जो प्रकाश उत्सर्जक कणों की संख्या को कम करता है, या क्रिस्टल जाली (lattice) में कंपन के कारण हो सकता है। उन्होंने पाया कि इनमें से कोई भी मानक तंत्र तापमान या लेजर पल्स की तीव्रता के साथ संकेत के बदलने के विशिष्ट तरीके की व्याख्या नहीं कर सकता था। एकमात्र मॉडल जो डेटा के साथ पूरी तरह फिट बैठता था, वह था जिसने उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों और यूरोपियम परमाणुओं के चुंबकीय क्षणों (magnetic moments) के बीच के अनूठे परस्पर प्रभाव को ध्यान में रखा। इस मॉडल में, उत्तेजित इलेक्ट्रॉन अपना स्पिन बदल सकते हैं, जिससे वे एक "डार्क" अवस्था में बदल जाते हैं जो प्रकाश उत्सर्जित नहीं कर सकती, और फिर वापस स्पिन बदल लेते हैं। इन दो अवस्थाओं के बीच का संतुलन तापमान द्वारा प्रभावित होता है, और महत्वपूर्ण बिंदु पर, प्रणाली इन दोनों के बीच अंतर करने की अपनी क्षमता खो देती है, जिससे देखा गया जटिल व्यवहार उत्पन्न होता है।

यह खोज महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करती है कि ये विलक्षण चरण संक्रमण केवल सूक्ष्म, अलग-थलग प्रणालियों जैसे कि निर्वात में परमाणुओं या कैविटी में फोटॉनों तक सीमित सैद्धांतिक जिज्ञासाएं नहीं हैं। वे एक बल्क सॉलिड (bulk solid) में भी हो सकते हैं, एक ऐसी सामग्री जिसे आप अपने हाथ में पकड़ सकते हैं। यह अध्ययन दिखाता है कि सामग्री को संतुलन से दूर धकेल कर, वैज्ञानिक भौतिकी के एक नए क्षेत्र तक पहुँच सकते हैं जहाँ प्रणाली की गतिशीलता अलग-अलग नियमों द्वारा शासित होती है। यह संक्रमण सामग्री के सामान्य चुंबकीय व्यवस्था बिंदु से भिन्न तापमान पर होता है, जो यह सुझाव देता है कि ये दोनों घटनाएँ, हालांकि संबंधित हैं, मौलिक रूप से भिन्न हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह संक्रमण जिस बिंदु पर होता है वह स्थिर नहीं है; इसे लेजर पल्स की तीव्रता बदलकर बदला जा सकता है, जो प्रकाश के माध्यम से सामग्री के गुणों को ट्यून करने का एक तरीका प्रदान करता है।

इस कार्य के निहितार्थ इस प्रयोग में उपयोग की गई विशिष्ट क्रिस्टल से कहीं आगे तक विस्तृत हैं। टीम द्वारा विकसित सैद्धांतिक ढांचा यह सुझाव देता है कि इसी तरह के संक्रमण अन्य कई प्रकार की सामग्रियों में भी मौजूद हो सकते हैं जिनमें जुड़े हुए घटक होते हैं, जैसे कि विभिन्न प्रकार के उत्तेजनाएं (excitations) या स्पिन। यदि इन संक्रमणों को नियंत्रित किया जा सके, तो वे प्रकाश और चुंबकत्व को नियंत्रित करने के लिए नई तकनीकों के लिए अत्यधिक संवेदनशील तरीका प्रदान कर सकते हैं। फिलहाल, यह खोज एक स्पष्ट प्रमाण के रूप में खड़ी है कि भौतिकी के नियम जो शांत, संतुलित दुनिया को नियंत्रित करते हैं, वे कहानी का केवल एक हिस्सा हैं। अराजक, संचालित दुनिया में, पदार्थ नए रूप ले सकता है, ऐसे व्यवहार प्रकट कर सकता है जो स्वयं सामग्रियों जितने ही समृद्ध और जटिल हैं।